引黃泥沙對黏質鹽土飽和導水率的影響

曲英杰 毛偉兵 孫玉霞 孫池濤 孫雪蓉

摘?要：為研究引黃泥沙對黏質鹽土顆粒組成和土壤飽和導水率（Ks）的影響，以濱海地區(qū)黏質鹽土為研究對象，利用黃河三角洲引黃灌區(qū)亟須處理的淤積泥沙作為改良劑，分別進行了土壤顆粒組成和土壤飽和導水率測定試驗。結果表明：①黏質鹽土隨配沙比例增大，極細砂含量由3.356 1%增長到61.461 1%，細砂含量由0.180 9%增長到2.459 7%，粗粉粒含量由47.437 4%降低至31.150 9%，細黏粒含量由29.015 3%降至3.893 9%;②土壤飽和導水率隨配沙比的增大而增大，二者為極其顯著的指數(shù)函數(shù)關系，決定系數(shù)為0.937 5，以理想飽和導水率為限制條件，適宜配沙比例為[45.7%，56.8%];③土壤粒級與土壤飽和導水率的作用強度大小排序為極細砂>細砂>粗粉粒>中砂>細粉粒>細黏粒>粗砂>粗黏粒>石礫;④建立了極細砂含量和細砂含量x與土壤飽和導水率的回歸方程，分別為Ks=0.018 6e0.083x，Ks=0.0160 7e2.122x。

關鍵詞：黏質鹽土;引黃泥沙;土壤飽和導水率;土壤顆粒組成

中圖分類號：S156.4;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.031

Abstract： In order to study the effect of the Yellow River sediment on clay saline soil particle composition and saturated water conductivity of soil， the coastal clay saline soil was taken as the object of study and using the sediment which needs to be treated urgently in the irrigation area of the Yellow River delta as the improver to determine the soil particle composition and saturated water conductivity of soil respectively. The results show that a） as the increase of the proportion of clay saline soil， the content of very fine sand is increased from 3.356 1% to 61.461 1%， the content of fine sand is increased from 0.180 9% to 2.459 7%， the content of coarse powder is decreased from 47.437 4% to 31.150 9% and the content of fine clay is decreased from 29.015 3% to 3.893 9%. b） The saturated water conductivity of soil is increased with the increase of sand distribution， showing a very significant positive exponential function correlation. The R2 value reaches 0.937 5. Taking the ideal saturated water distribution as the limiting condition， the appropriate sediment ratio is 45.7% and 56.8%. c） The order of the interaction strength between soil particle size and soil saturated hydraulic conductivity is as follows： very fine sand > fine sand > coarse powder > medium sand > fine powder > fine clay > coarse sand > coarse clay > gravel. d） The regression equations of extremely fine sand content and fine sand content and saturated water conductivity of soil are established respectively.

Key words： clayey saline soil; Yellow River sediment; soil particle composition; soil saturated water conductivity

黏質鹽土是黃河三角洲地區(qū)最重要的土壤類型，其土壤物理性質一直是改良的關鍵與難點，其中土壤飽和導水率（Ks）低是制約黏質鹽土改良的最重要因子[1-3]。土壤飽和導水率是土壤最重要的土壤水力學參數(shù)之一，決定著土壤的滲透性能和水鹽運移狀況，也是土壤水分與溶質運移模型中的關鍵參數(shù)[4-6]。鄭健等[7]通過變水頭滲透試驗的方法研究認為土壤飽和導水率隨著土壤容重的增大而降低;遲春明等[8]通過堿化鹽土剖面分析認為土壤飽和導水率與土壤有機質的關系是極顯著負相關。對于濱海地區(qū)的黏質鹽土，大量鹽分在土壤中過度積累，造成土壤顆粒分散，阻塞水分流動和水分入滲。引黃泥沙中的沙粒含量豐富，可通過適宜的配沙量調控黏質鹽土的顆粒組成，進而改善土壤的飽和導水率。目前對于飽和土壤導水性能的研究主要集中在密度、有機質等對其的影響，顆粒組成變化對土壤飽和導水率影響的研究很少。本研究采用自然土壤中添加引黃泥沙，形成不同配沙比例的土壤，研究配沙量對土壤顆粒組成和土壤飽和導水率的影響，為黃河三角洲地區(qū)利用引黃泥沙進行鹽堿土改良提供理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

室內試驗所用土樣均取自山東省濱州市陽信縣水落坡鄉(xiāng)（東經117°59′46″，北緯37°35′22″，高程3 m）小麥田深度為0～40 cm土層。引黃泥沙取自小開河灌區(qū)沉沙池。土壤顆粒組成共測定9個粒級：石礫2～1 mm，粗砂1～0.5 mm，中砂0.5～0.25 mm，細砂0.25～0.1 mm，極細砂0.1～0.05 mm，粗粉粒0.05～0.01 mm，細粉粒0.01～0.005 mm，粗黏粒0.005～0.002 mm，細黏粒<0.002 mm。土壤及引黃泥沙顆粒級配見表1。試驗期間水樣取自山東省濱州市無棣縣渤海糧倉項目試驗區(qū)淺層地下水，水樣礦化度為6.7 g/L，離子組成見表2。

1.2?試驗設計

為探究不同黏質鹽土與引黃泥沙配比對土壤飽和導水率的影響，按0%、1.3%、2.6%、…、100%配比設置74個處理，每個處理3個重復。黏質鹽土和引黃泥沙根據(jù)設定配比混合均勻后模擬田間原狀土，按田間實測土壤密度1.49 g/cm3壓實裝填至直徑為8 cm、高為5 cm的環(huán)刀。每個處理的黏質鹽土和引黃泥沙用量見表3。

1.3?試驗方法

（1）土、沙顆粒級配：采用篩分和沉降相結合的濕篩-吸管法，具體步驟參考《土壤物理性質測定法》[9]。

（2）土壤飽和導水率：用KSAT飽和導水率儀進行試驗，在每個環(huán)刀底部放一層濾紙，用紗布小心地將土樣的底部包好，放入水平面約高出土樣頂部1 cm的水中浸泡3～5 d，使之飽和。將飽和后的土樣放置于KSAT飽和導水率儀內，將水位調節(jié)器內的水位調節(jié)至與容器中的水位一致，當土樣頂部出現(xiàn)水層時，連接虹吸管，將集水圓筒內的水導入漏斗，使之流入量管后開始測量。為了統(tǒng)一標準，均采用10 ℃時的飽和導水率。

1.4?統(tǒng)計分析

1.4.1?灰色關聯(lián)分析

本研究選用DPS軟件進行灰色關聯(lián)分析?；疑P聯(lián)分析是一種定量和定性相結合的系統(tǒng)分析方法，采用量化方法獲得灰色關聯(lián)度，以此來分清系統(tǒng)之間關系的密切程度[10-11]。按照灰色系統(tǒng)理論要求，在分析各顆粒組成對土壤飽和導水率的影響時，將9個粒級和飽和導水率看作一個灰色系統(tǒng)，以飽和導水率為參考序列，記為X0，其他為比較序列，記作Xi（i=1，2，3，…，h）。通過計算參考序列與各個比較序列的關聯(lián)度，可構成關聯(lián)矩陣Ri。Ri可以直接反映出各個參考序列和比較序列之間的相互關系。關聯(lián)度計算公式為ri=1N∑ki=1ξ（k）。求得參考序列、比較序列的關聯(lián)度后，按其大小排序。

1.4.2?精確度檢驗

為評價回歸方程模擬效果，采用決定系數(shù)R2、和方差SSE、均方根RMSE對擬合值與實測值進行定量分析。

2?結果與分析

2.1?配沙后土壤顆粒組成變化

黏質鹽土不同配沙比下土壤顆粒組成變化見圖1（石礫、粗砂、中砂含量很小，未在圖中繪出）。在試驗處理中，隨配沙量增加，土壤的顆粒組成發(fā)生顯著變化。土壤中極細砂、細砂的相對含量呈增大趨勢，斜率分別為0.795 9、0.031 2;其余各粒級均呈線性減小趨勢。根據(jù)土壤顆粒組成相對含量變化結果可知，極細砂含量由3.356 1%增長到61.461 1%，細砂含量由0.180 9%增長到2.459 7%，粗粉粒含量由47.437 4%降低至31.150 9%，細黏粒含量由29.015 3%降至3.893 9%。

根據(jù)引黃泥沙和黏質鹽土的顆粒組成差異，引黃泥沙中0.1～0.05 mm粒級相對含量高、黏質鹽土含量低的特點，通過向黏質鹽土中施加引黃泥沙可以增加黏質鹽土中砂粒的相對含量，降低黏質鹽土中黏粒的相對含量，達到改善土壤顆粒組成等物理性狀的目的。

2.2?配沙改良下土壤飽和導水率的變化

不同配沙比條件下黏質鹽土飽和導水率變化見圖2。配沙比在0～35%范圍內，土壤飽和導水率隨著配沙量的增加緩慢增大，配沙比達到40%之后，土壤飽和導水率隨配沙量的增加迅速增大。Matlab軟件非線性回歸分析結果表明，配沙量與土壤飽和導水率之間存在極其顯著的指數(shù)函數(shù)正相關（P<0.01，R2=0.937 5）。

壤飽和導水率作為土壤持水和保水能力的主要指標，對土壤水鹽運移狀況有重要的影響。選擇當?shù)匦←渾萎a超過7 500 kg/hm2的高產田作為利用引黃泥沙改良黏質鹽土的參照標準，測定其土壤飽和導水率指標，測得土壤飽和導水率的理想?yún)^(qū)間大致為[0.35 μm/s，0.55 μm/s]。依據(jù)適宜的土壤飽和導水率，推薦的黏質鹽土配沙比范圍為[45.7%，56.8%]。

2.3?土壤顆粒組成與土壤飽和導水率的關系

2.3.1?土壤顆粒組成與土壤飽和導水率關聯(lián)分析

以土壤飽和導水率為參考序列，土壤各顆粒組成為比較序列，通過灰色關聯(lián)分析法，得到土壤各顆粒組成對土壤飽和導水率的關聯(lián)系數(shù)，見表4?？梢钥闯?，土壤飽和導水率與其他各顆粒組成的關聯(lián)度大小次序為極細砂>細砂>粗粉粒>中砂>細粉粒>細黏粒>粗砂>粗黏粒>石礫。極細砂（0.1～0.05 mm）和細砂（0.25～0.1 mm）的含量與土壤飽和導水率的關聯(lián)度最高，說明極細砂和細砂對土壤飽和導水率的影響最為顯著。

由于粒徑0.1～0.05 mm的泥沙輸送困難，容易在干渠、輸沙渠淤積，因此在干支渠系和沉沙池淤積的泥沙中，80%～90%是粒徑0.1～0.05 mm的極細砂，其次是粒徑0.25～0.1 mm的細砂。極細砂和細砂在引黃泥沙中占比較高，但這兩個粒級在黏質鹽土中的含量極小。在影響飽和導水率的顆粒組成因素中，對于改善黏質鹽土的孔隙結構，極細砂和細砂為主導因素。另外，引黃泥沙中石礫和粗砂（2～0.5mm）的顆粒含量極小，所以配沙后對土壤飽和導水率的作用強度較弱。雖然粗粉粒（0.05～0.01 mm）在引黃泥沙中占比較高，但在黏質鹽土中，這一粒級也是主要組成成分，占總粒級的48%，配沙后相對增加量較小，不會成為土壤飽和導水率的主要影響因子。

2.3.2?土壤顆粒組成與土壤飽和導水率的關系方程

土壤飽和導水率的測定費時費力，建立土壤顆粒組成與土壤飽和導水率的關系方程，可以通過某一粒級的顆粒含量預測土壤飽和導水率。灰色關聯(lián)度分析結果表明，極細砂和細砂對土壤飽和導水率的影響最為顯著。極細砂含量與土壤飽和導水率和細砂含量與土壤飽和導水率的一元非線性回歸方程分別為Ks=0.018 6e0.083x、Ks=0.016 07e2.122x。方程的擬合值與實測值基本貼近，擬合精度較高（見表5）。

3?討?論

土壤導水能力受土壤顆粒組成的影響[12-15]，Sauer等[16]認為隨土壤中碎石和砂粒含量的增大，土壤飽和導水率增大，入滲速度加快，與本研究結果一致。很多研究表明，黏質鹽土中過量的Na+是導致土壤飽和導水率低的重要原因。Na+使土壤黏粒遇水高度分散，進而堵塞土壤孔隙，導致土壤導水率下降，成為影響鹽分淋洗、土壤改良的嚴重障礙[17-19]。在黃河三角洲地區(qū)，一般砂粒含量比較高的土壤，飽和導水率大，導水性能好。根據(jù)白冰等[20]研究，黃河三角洲區(qū)域內的土層屬低透水強度范圍，不利于鹽分淋洗。隨配沙比例的增大，土壤飽和導水率呈指數(shù)級增大趨勢，說明適宜的配沙比能夠有效提高黏質鹽土的飽和導水率，但過高的飽和導水率影響土壤的持水保水能力，不僅會造成水肥流失，還容易導致土壤缺水，造成農作物減產，對土壤生態(tài)環(huán)境產生不良影響[21]，因此本研究通過分析引黃泥沙對黏質鹽土飽和導水率的影響，建立黏質鹽土配沙量與飽和導水率的數(shù)值方程，在適宜的土壤飽和導水率指標控制下，最終確定黏質鹽土的最優(yōu)配沙比范圍。

土壤砂粒的比表面積較小，一直被認為是土壤中的惰性成分，對土壤養(yǎng)分、鹽分的吸附性較弱[22]，因而在有關研究中很少涉及。李卓等[23]研究發(fā)現(xiàn)土壤入滲能力與黏粒含量成指數(shù)負相關的關系，隨著黏粒含量的增大，毛管孔隙增多，大孔隙減少，毛管力對垂直一維入滲的水分驅動力——重力的抵消作用逐漸增強。而大量研究證實[24-25]，土壤黏粒含量越大，顆粒比表面積越大，含有的電荷數(shù)量越多，能吸引更多的水分子，抑制土壤的滲水能力。在利用引黃泥沙改良鹽堿土試驗的9種土壤粒級中，極細砂和細砂對土壤飽和導水率的正面影響最為顯著。前期通過核函數(shù)非參數(shù)估計算法進行了不同土壤粒級對土壤鹽分吸附的敏感性分析，發(fā)現(xiàn)土壤砂粒不像黏粒那樣具有巨大的比表面積和高度的活性，但是這部分土壤顆粒的變化對于增加土壤極細砂粒的比例、減少土壤鹽分吸附、降低鹽堿土壤的含鹽量具有重要的作用[26-27]。因此，可以利用引黃泥沙配施黏質鹽土，調控黏質鹽土的顆粒組成，提高土壤中大孔隙的數(shù)量和比例，提高土壤飽和導水率。以往研究并沒有建立顆粒變化與土壤飽和導水率的關系，本研究推求的模擬方程能夠通過極細砂或細砂的含量預測土壤飽和導水率。本研究分析了顆粒級配與飽和導水率的關系，土壤密度及孔隙結構等其他影響因子的顯著性關系還有待繼續(xù)研究。

4?結?論

本次濱海黏質鹽土配沙改良試驗結果表明：①土壤中各粒級含量均發(fā)生明顯變化，極細砂含量、細砂含量分別由3.356 1%增長到61.461 1%、由0.180 9%增長到2.459 7%，粗粉粒含量、細黏粒含量分別由47.437 4%降低至31.150 9%、由29.015 3%降至3.893 9%，黏質鹽土中砂粒含量提高，黏粒含量降低。②黏質鹽土配沙改良后，土壤飽和導水率隨配沙量增加，呈顯著的指數(shù)函數(shù)形式提高;根據(jù)當?shù)馗弋a田的土壤飽和導水率，確定適宜的配沙比范圍為[45.7%，56.8%]。③對土壤粒級與土壤飽和導水率的關聯(lián)度大小進行灰色關聯(lián)度分析，土壤飽和導水率關聯(lián)度由大到小的排序為極細砂>細砂>粗粉粒>中砂>細粉粒>細黏粒>粗砂>粗黏粒>石礫。④根據(jù)對土壤飽和導水率作用強度最大的兩個粒級，建立極細砂含量對土壤飽和導水率和細砂含量對土壤飽和導水率的回歸方程，分別為Ks=0.018 6e0.083x，Ks=0.016 07e2.122x。

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【責任編輯?許立新】